KR20140040720A - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
측정 간섭계(7)와 기준 간섭계(3)를 포함하는 장치를 개시한다. 각각의 간섭계는 동일한 광원(1)으로부터 광을 수신하며 각각의 검출기들(6)로 광을 방출하도록 구성되고, 각각의 작동점을 가진다. 측정 간섭계(7)는 방출되는 광의 강도를 변화시킴으로써 물리적 파라미터의 변화에 반응하도록 구성되는 반면, 기준 간섭계(3)는 물리적 파라미터의 변화에 반응하지 않도록 구성된다. 장치는 검출기들(6)에 의해 발생된 각각의 출력 신호들에 따라 차동 출력 신호를 발생시키기 위한 신호 처리기를 더 포함한다.An apparatus comprising a measuring interferometer 7 and a reference interferometer 3 is disclosed. Each interferometer is configured to receive light from the same light source 1 and to emit light to the respective detectors 6 and has a respective operating point. The measurement interferometer 7 is configured to respond to changes in physical parameters by changing the intensity of light emitted, while the reference interferometer 3 is configured not to respond to changes in physical parameters. The apparatus further comprises a signal processor for generating a differential output signal in accordance with the respective output signals generated by the detectors 6.
Description
본 발명은 광 센서를 형성하기 위해 사용될 수 있는 측정 간섭계를 포함하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 장치를 구성할 수 있는 층상 구조, 및 이러한 장치를 포함하는 광 마이크로폰에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus comprising a measurement interferometer that can be used to form an optical sensor. The invention also relates to a layered structure which can constitute such a device, and an optical microphone comprising such a device.
다양한 유형의 광 센서가 물리적 파라미터의 변화를 검출하기 위해 간섭계를 이용한다. 이러한 센서에서는, 레이저로부터의 광이 간섭계 내부에 결합되고, 간섭계는 물리적 파라미터의 변화에 의해 영향을 받아 간섭 패턴의 해당 변화를 생성한다. 간섭 패턴의 이러한 변화는 광 검출기에 의해 검출될 수 있는 강도의 변화로 나타난다.Various types of optical sensors use interferometers to detect changes in physical parameters. In such sensors, light from the laser is coupled inside the interferometer, where the interferometer is affected by changes in the physical parameters to produce a corresponding change in the interference pattern. This change in interference pattern results in a change in intensity that can be detected by the photo detector.
다양한 상이한 물리적 파라미터들이 간섭 패턴의 변화를 야기하기 위해 사용될 수 있고, 그에 따라 이러한 유형의 센서에 의해 감지될 수 있다. 예로, 압력(공기압을 포함), 변형(strain), 변위(displacement)가 포함된다.Various different physical parameters can be used to cause a change in the interference pattern, and thus can be sensed by this type of sensor. Examples include pressure (including air pressure), strain, and displacement.
이러한 센서의 신호 대 잡음비(SNR)는 레이저로부터 출력된 광의 주파수 또는 강도의 변동에 의해 야기된 잡음에 의해 종종 제한된다. 레이저 주파수를 안정화하는 다양한 방법들이 있다. 예컨대, 하나의 방법은 오류 신호를 발생하기 위해 패브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭계 또는 에탈론을 이용한다. 에탈론은 주파수 변동을 광 검출기에 의해 검출될 수 있는 강도 변동으로 변환한다. 최종 광 전류는, 예컨대 주파수 변동을 교정하기 위해 공동 미러(cavity mirror)를 이동시키거나 또는 레이저 공급 전류 상에 작용할 수 있는 피드백 신호로 사용된다.The signal-to-noise ratio (SNR) of such sensors is often limited by noise caused by variations in the frequency or intensity of the light output from the laser. There are various ways to stabilize the laser frequency. For example, one method uses a Fabry-Perot interferometer or etalon to generate an error signal. Etalons convert frequency fluctuations into intensity fluctuations that can be detected by a light detector. The final photocurrent is used as a feedback signal, for example, to move the cavity mirror or act on the laser supply current to correct for frequency variations.
그러나, 이러한 종류의 장치는 부피가 크며 고가이다. 이는 광 센서의 사용이 바람직할 수 있는 다수의 응용들과 호환될 수 없다. 예컨대, 이동 통신 장치에서는, 매우 안정적이며, 충격 저항성이 있고, 풍음(wind noise)에 민감하지 않은 마이크로폰이 요구된다. 이러한 특징들은 모두 레이저 광원과 간섭계를 이용하는 광 마이크로폰에 의해 제공될 수 있는데, 이는 이들이 박막(membrane)과 같은 이동부를 구비하지 않기 때문이다. 그러나, 이러한 마이크로폰은 또한 컴팩트하며 높은 SNR을 갖는 것이 요구된다. 앞서 언급한 안정화 기법은 소정의 범위까지 레이저 주파수 잡음을 보상할 수 있지만, 상대 강도 잡음(relative intensity noise)을 보상할 수는 없다.
However, devices of this kind are bulky and expensive. This is not compatible with many applications where the use of an optical sensor may be desirable. For example, in a mobile communication device, a microphone is required which is very stable, shock resistant and insensitive to wind noise. All of these features can be provided by an optical microphone using a laser light source and an interferometer because they do not have a moving part such as a membrane. However, such microphones are also required to be compact and have high SNR. The aforementioned stabilization technique can compensate for laser frequency noise up to a predetermined range, but cannot compensate for relative intensity noise.
본 발명에 따르면, 각각이 동일한 광원으로부터 광을 수신하며 각각의 검출기들로 광을 방출하도록 구성되고, 각각의 작동점을 가지는 측정 간섭계와 기준 간섭계를 포함하는 장치를 제공하며, 여기서 측정 간섭계는 방출되는 광의 강도를 변화시킴으로써 물리적 파라미터의 변화에 반응하도록 구성되는 반면, 기준 간섭계는 물리적 파라미터의 변화에 반응하지 않도록 구성되고, 장치는 검출기들에 의해 발생된 각각의 출력 신호들에 따라 차동 출력 신호를 발생시키기 위한 신호 처리기를 더 포함한다.According to the invention, there is provided an apparatus comprising a measurement interferometer and a reference interferometer, each of which is configured to receive light from the same light source and to emit light to the respective detectors, each having a working point, the measurement interferometer The reference interferometer is configured not to respond to changes in the physical parameter by varying the intensity of light being made, while the reference interferometer is configured not to respond to changes in the physical parameter, and the device generates a differential output signal in accordance with the respective output signals generated by the detectors. It further comprises a signal processor for generating.
동일한 광원으로부터의 광은, 감지될 물리적 파라미터의 변화에 민감하지 않거나 반응하지 않는 기준 간섭계, 및 이러한 변화에 반응하는 측정 간섭계 모두의 내부에 결합된다. 그러므로, 양 간섭계가 광원으로부터의 광의 변동에 의해 영향을 받을 것이지만, 오직 측정 간섭계만이 물리적 파라미터의 변화에 의해 영향을 받을 것이다; 기준 간섭계는 이러한 변화로부터 격리된다. 따라서, 기준 간섭계의 간섭 패턴은 각각의 검출기로부터의 신호와 마찬가지로 광원으로부터의 잡음만을 나타낸다. 이러한 신호는 측정 간섭계의 각각의 검출기로부터의 신호 내에서 광원으로부터의 잡음을 보상하기 위해 사용될 수 있고, 그에 따라 신호는 물리적 파라미터의 변화만을 나타낸다. 그러므로, SNR이 증가하고, 아울러 요구되는 유일한 추가 구성요소가 기준 간섭계이기 때문에, 장치가 매우 컴팩트하게 제조될 수 있다.Light from the same light source is coupled inside both the reference interferometer, which is not sensitive or responds to changes in the physical parameters to be sensed, and the measurement interferometer responding to these changes. Therefore, both interferometers will be affected by variations in light from the light source, but only measurement interferometers will be affected by changes in physical parameters; The reference interferometer is isolated from this change. Thus, the interference pattern of the reference interferometer represents only noise from the light source as well as the signal from each detector. This signal can be used to compensate for noise from the light source within the signal from each detector of the measurement interferometer, whereby the signal only represents a change in the physical parameter. Therefore, because the SNR increases and the only additional component required is the reference interferometer, the device can be made very compact.
기준 간섭계와 측정 간섭계 각각의 작동점은 주파수에 따른 간섭계의 투과율의 선형 변화를 달성하도록 선택된다. 도 5는 파라미터(q)에 대한 투과율의 그래프(1의 최대값으로 표준화된다)를 도시하며, 여기서 q=4πnd/λ(n은 간섭계 공동 내의 굴절율; d는 간섭계 미러들 사이의 간격; λ는 광의 파장이다). 파라미터(q)는 물론 광의 주파수에 비례한다. 투과율과 q의 관계는 이른바 “에어리 함수(Airy function)”로 나타낸다. 도 5는 또한 투과율 대 q 그래프의 1차 및 2차 도함수의 그래프들을 도시한다. 투과율 대 q의 최상의 선형성은 2차 도함수가 0인 지점에서 발견된다. 따라서, 투과율과 q의 관계의 2차 도함수가 0인 지점이 바람직하게는 각각의 간섭계에 대한 작동점으로 선택된다.The operating point of each of the reference interferometer and the measuring interferometer is selected to achieve a linear change in the transmittance of the interferometer with frequency. FIG. 5 shows a graph of transmittance for parameter q (normalized to the maximum value of 1), where q = 4πnd / λ (n is the refractive index in the interferometric cavity; d is the spacing between interferometer mirrors; Wavelength of light). The parameter q is of course proportional to the frequency of the light. The relationship between the transmittance and q is represented by a so-called "airy function". 5 also shows graphs of the first and second derivatives of the transmittance versus q graph. The best linearity of transmittance versus q is found at the point where the second derivative is zero. Thus, the point at which the second derivative of the relationship between transmittance and q is preferably selected as the operating point for each interferometer.
간섭계들의 크기의 작은 변화로도 작동점들의 최적의 위치에 영향을 미칠 것이기 때문에, 작동점들은 각각의 간섭계에 대해 상이할 가능성이 높다.Since small changes in the size of the interferometers will affect the optimal position of the operating points, the operating points are likely to be different for each interferometer.
사용될 수 있는 대안적인 작동점은, 작동점에서의 투과율의 값이 최대값의 75%가 되도록 간섭계들을 튜닝하는 것이다. 이 지점은 2차 도함수가 0이 되는 지점과 대략적으로 같다.An alternative operating point that can be used is to tune the interferometers so that the value of transmission at the operating point is 75% of the maximum value. This point is approximately equal to the point where the second derivative is zero.
작동점은 q가 의존하는 파라미터들 중 임의의 파라미터를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 따라서, 기준 간섭계 또는 측정 간섭계는 공동의 미러들 사이의 간격 또는 간섭계 공동 내의 굴절율을 조절함으로써 작동점으로 튜닝될 수 있다. 또한, 광원에 의해 방출된 광의 파장은 기준 간섭계 또는 측정 간섭계의 고유한 작동점 또는 조절된 작동점에 적합하도록 조절될 수 있다.The operating point can be adjusted by changing any of the parameters on which q depends. Thus, the reference interferometer or measurement interferometer can be tuned to the operating point by adjusting the spacing between mirrors of the cavity or the index of refraction in the interferometer cavity. In addition, the wavelength of the light emitted by the light source can be adjusted to suit the inherent or adjusted operating point of the reference interferometer or measurement interferometer.
기준 간섭계는, 기준 간섭계를 물리적 파라미터로부터 격리시킴으로써, 또는 간섭계 내의 공동을 소개함으로써, 또는 간섭계 내의 공동을 유리와 같은 고체 광-투과 재료로 충진함으로써, 물리적 파라미터의 변화에 반응하지 않도록 구성될 수 있다.The reference interferometer may be configured to not respond to changes in physical parameters by isolating the reference interferometer from physical parameters, or by introducing a cavity in the interferometer, or by filling a cavity in the interferometer with a solid light-transmitting material such as glass. .
통상적으로, 측정 간섭계 및/또는 기준 간섭계는 패브리-페롯 간섭계이다.Typically, the measurement interferometer and / or reference interferometer is a Fabry-Perot interferometer.
측정 간섭계 및/또는 기준 간섭계는 한 쌍의 이격된 미러를 포함할 수 있다. 미러들은 모두 평면 미러 또는 곡면 미러일 수 있거나, 하나의 평면 미러와 하나의 곡면 미러를 포함할 수 있다.The measurement interferometer and / or the reference interferometer may comprise a pair of spaced mirrors. The mirrors may all be planar mirrors or curved mirrors, or may include one planar mirror and one curved mirror.
하나의 간섭계에 대해, 작동점은 레이저 파장을 조절함으로써(예컨대, 레이저에 대한 공급 전류를 조절함으로써) 조절될 수 있다. 다른 하나의 간섭계에 대해, 튜닝 메커니즘이 구비될 수 있다.For one interferometer, the operating point can be adjusted by adjusting the laser wavelength (eg, by adjusting the supply current to the laser). For another interferometer, a tuning mechanism may be provided.
그러므로, 장치는 측정 간섭계 또는 기준 간섭계의 작동점을 튜닝하기 위한 열적 튜닝 소자를 더 포함할 수 있다. 이는 측정 간섭계 또는 기준 간섭계의 광 매체의 굴절율을 열적으로 조절하기 위해 열-광학 효과를 이용한다.Therefore, the apparatus may further comprise a thermal tuning element for tuning the operating point of the measuring interferometer or reference interferometer. It utilizes thermo-optical effects to thermally adjust the refractive index of the optical medium of the measurement interferometer or reference interferometer.
장치는 측정 간섭계 또는 기준 간섭계의 작동점을 튜닝하기 위한 튜닝 전극을 더 포함할 수 있다. 이는 외부에서 인가된 전기장에 의해 측정 간섭계 또는 기준 간섭계의 광 매체의 굴절율을 조절하기 위해 전기-광학 효과(예컨대, 포켈스 효과(Pockels effect)와 같은 선형 효과 또는 커 효과(Kerr effect)와 같은 비선형 효과)를 이용한다.The apparatus may further comprise a tuning electrode for tuning the operating point of the measurement interferometer or reference interferometer. This can be done by an externally applied electric field to adjust the index of refraction of the optical medium of the measuring interferometer or reference interferometer (e.g., linear effects such as the Pockels effect or nonlinear effects such as the Kerr effect). Effect).
장치는 측정 간섭계 또는 기준 간섭계 및 각각의 검출기 사이에 배치된 액정 튜닝 소자를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further comprise a liquid crystal tuning element disposed between the measurement interferometer or reference interferometer and each detector.
일 실시예에서, 장치는 광원으로 하여금 제1 및 제2 파장에서 교번적으로 광을 방출하게 하도록 구성된 광원 제어기를 더 포함하고, 측정 간섭계와 기준 간섭계의 작동점들은 제1 및 제2 파장에서 각각 달성된다. 이러한 방식으로, 기준 간섭계와 측정 간섭계는 광원의 파장을 조절함으로써 각각의 교번적인 작동 사이클에서 작동점들로 튜닝된다. 이는 예컨대 광원에 대한 공급 전류를 조절함으로써 달성될 수 있다. 그러므로, 이러한 “펄스형 작동 모드”를 이용할 때 추가적인 튜닝 소자들의 생략이 가능하다.In one embodiment, the apparatus further comprises a light source controller configured to cause the light source to emit light alternately at the first and second wavelengths, wherein the operating points of the measurement interferometer and the reference interferometer are respectively at the first and second wavelengths. Is achieved. In this way, the reference interferometer and the measurement interferometer are tuned to the operating points in each alternating operating cycle by adjusting the wavelength of the light source. This can be achieved, for example, by adjusting the supply current for the light source. Therefore, it is possible to omit additional tuning elements when using this "pulse-type operating mode".
통상적으로, 장치는, 광원과 기준 간섭계 사이에 배치되며 선형 편광자와 1/4 파장판을 포함하는 광 격리기를 더 포함한다.Typically, the device further comprises an optical isolator disposed between the light source and the reference interferometer and comprising a linear polarizer and a quarter wave plate.
바람직하게는, 광원은 레이저이다.Preferably, the light source is a laser.
레이저는 유리하게는 이중-방출 레이저일 수 있고, 제1 및 제2 방출 빔이 측정 간섭계와 기준 간섭계에 각각 결합된다.The laser may advantageously be a double-emitting laser, with the first and second emission beams coupled to the measurement interferometer and the reference interferometer, respectively.
이중-방출 레이저의 사용은 특히 컴팩트한 구조의 제조를 가능하게 한다. 이러한 실시예에서, 이중-방출 레이저는 제1 및 제2 층상 구조 사이의 기판에 배치된 양면 방출 레이저 다이오드이며, 제1 및 제2 층상 구조 각각은 측정 간섭계와 기준 간섭계 중 하나를 형성하고, 각각의 스페이서층들에 의해 이격된 2개의 각각의 미러층들, 및 미러층들에 대해 기판으로부터 멀리 있는 검출기층들을 포함한다.The use of double-emitting lasers makes it possible to produce particularly compact structures. In this embodiment, the double-emitting laser is a double-sided emission laser diode disposed on a substrate between the first and second layered structures, each of the first and second layered structures forming one of a measurement interferometer and a reference interferometer, respectively Two respective mirror layers spaced by spacer layers of and a detector layers remote from the substrate with respect to the mirror layers.
기준 간섭계를 위한 각각의 스페이서층은 통상적으로 2개의 각각의 미러층들 사이에 있는 공동을 포함할 것이며, 공동은 스페이서층의 구멍에 의해 주변 환경에 음향적으로 결합된다.Each spacer layer for the reference interferometer will typically include a cavity between two respective mirror layers, which are acoustically coupled to the surrounding environment by holes in the spacer layer.
제1 및 제2 층상 구조 각각은 기판 및 각각의 미러층들 중 최내부 미러층 사이에 배치된 광 격리층들을 더 포함할 수 있다. 광 격리기들은 통상적으로 선형 편광자와 1/4 파장판을 포함한다.Each of the first and second layered structures may further include light isolation layers disposed between the substrate and the innermost mirror layer of the respective mirror layers. Optical isolators typically include a linear polarizer and a quarter wave plate.
제1 및 제2 층상 구조 각각은 기판 및 각각의 미러층들 중 최내부 미러층 사이에 배치된 렌즈를 더 포함할 수 있다. 렌즈는 광 격리층들과 각각의 미러층들 중 최내부 미러층 사이에 배치될 수 있다.Each of the first and second layered structures may further comprise a lens disposed between the substrate and the innermost mirror layer of the respective mirror layers. The lens may be disposed between the light isolation layers and the innermost mirror layer of each mirror layer.
각각의 검출기층은 각각의 광 검출기를 포함할 수 있다.Each detector layer may comprise a respective photo detector.
통상적으로, 신호 처리기는 등화 기간에 걸쳐 검출기들에 의해 발생된 각각의 출력의 평균 진폭을 등화시키기 위한 적응 등화기를 더 포함한다. 이로써, 2개의 검출기들에 의해 수신된 광 전력이 어떤 이유로 변화될지라도, 잡음이 적절하게 상쇄되도록 보장된다.Typically, the signal processor further includes an adaptive equalizer for equalizing the average amplitude of each output generated by the detectors over the equalization period. This ensures that noise is properly canceled out even if the optical power received by the two detectors changes for some reason.
본 발명의 제2 양상에 따르면, 본 발명의 제1 양상에 따른 장치를 포함하는 광 마이크로폰을 제공하며, 여기서 측정 간섭계는 주변 환경과 음향적으로 결합되고, 기준 간섭계는 주변 환경으로부터 음향적으로 격리되며, 물리적 파라미터는 공기압이다.According to a second aspect of the invention there is provided an optical microphone comprising an apparatus according to the first aspect of the invention, wherein the measurement interferometer is acoustically coupled with the surrounding environment and the reference interferometer is acoustically isolated from the surrounding environment. The physical parameter is air pressure.
기준 간섭계의 “음향적 격리”는, 공기압의 변화로부터 기준 간섭계를 분리시킴으로써(예컨대, 기준 간섭계의 공동과 주변 환경 사이의 유체소통을 허용하지 않음으로써), 또는 공기압의 변화로부터 자연스럽게 분리되는 고체 간섭계를 이용함으로써 달성될 수 있다.The “acoustical isolation” of a reference interferometer is a solid state interferometer that separates the reference interferometer from changes in air pressure (eg, disallows fluid communication between the cavity of the reference interferometer and the surrounding environment), or is naturally separated from changes in air pressure. It can be achieved by using a.
이러한 마이크로폰은 매우 컴팩트하며 높은 SNR을 가진 이동 통신 응용들에 특히 적합하다.Such microphones are very compact and are particularly suitable for mobile communication applications with high SNR.
통상적으로, 측정 간섭계는 그 공동 내의 구멍에 의해 주변 환경과 음향적으로 결합된다.
Typically, the measurement interferometer is acoustically coupled with the surrounding environment by holes in its cavity.
이하에서는, 본 발명의 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도를 도시한다.
도 2는 광 마이크로폰의 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 광 마이크로폰 내의 측정 간섭계의 단면도를 도시한다.
도 4는 이러한 광 마이크로폰을 구성할 수 있는 층상 구조의 단면도를 도시한다.
도 5는 간섭계의 투과 함수를 도시한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1 shows a schematic view of a device according to the invention.
2 shows a schematic diagram of an optical microphone.
3A and 3B show cross-sectional views of the measurement interferometer in the optical microphone of FIG. 2.
4 shows a cross-sectional view of a layered structure that can constitute such an optical microphone.
5 shows the transmission function of the interferometer.
도 1은 광 격리기(2)를 통해 기준 패브리-페롯 간섭계 또는 에탈론(3)까지 진행되는 광을 방출하는 레이저 광원(1), 예컨대 레이저 다이오드를 도시한다. 기준 패브리-페롯 에탈론(3)은 주파수 판별기로 작동한다. 이는 주변 환경으로부터 격리된 공기-간극식(air-spaced) 에탈론 또는 소개식(evacuated) 에탈론 또는 고체 에탈론일 수 있다.FIG. 1 shows a
튜닝 전극들(4)이 기준 패브리-페롯 에탈론(3)에 인접하게 배치되며, 바람직한 작동점을 설정하는 방식으로 그 투과 특성에 영향을 미치기 위해 사용된다. 보통, 이러한 작동점은 기준 패브리-페롯 에탈론(3)의 투과 함수의 변곡점이다. 이러한 전극들(4)은 전기-광학 또는 열-광학 효과를 통해 투과 특성에 영향을 미친다. 대안적으로, 박막 저항들 또는 펠티어 소자들이 튜닝 전극들(4) 대신 사용될 수 있다. 이들은 기준 패브리-페롯 에탈론(3)의 투과 특성을 열적으로 변화시키기 위해 열적 효과 또는 열-광학 효과를 이용한다.
기준 패브리-페롯 에탈론(3)의 투과 특성을 변화시키는 다른 방식은 액정(5)을 이용한다. 이러한 소자는 기준 패브리-페롯 에탈론(3)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.Another way of changing the transmission characteristics of the reference Fabry-
튜닝 전극들(4)은 또한 전류에 의해 변형 가능한 압전 소자로 대체될 수 있고, 이는 이후 기준 패브리-페롯 에탈론(3)을 변형시킬 것이다. 유사하게, 액정(5)은 사용된다면 전기적으로 변형 가능한 렌즈로 대체될 수도 있다. 그러나, (광 마이크로폰과 같은) 몇몇 응용에서는, 기계적으로 변형 가능한 소자들의 사용을 배제하는 것이 가장 좋다.The
레이저 광원(1)이 광 피드백에 의해 영향을 받는 것을 방지하기 위해, 광 격리기(2)가 레이저 광원(1)과 기준 패브리-페롯 에탈론(3) 사이에서 사용된다. 이 격리기(2)는 선형 편광 필터와 1/4 파장판의 조합이다.In order to prevent the
기준 패브리-페롯 에탈론(3)으로부터 나온 광은 광 검출기(6), 예컨대 PIN 다이오드에 의해 검출된다.Light from the reference Fabry-
레이저 광원(1)으로부터의 광은 또한 물리적 파라미터(예컨대, 공기압)의 변화에 의해 영향을 받는 측정 패브리-페롯 에탈론(7)에 입사된다. 측정 패브리-페롯 에탈론(7)이 물리적 파라미터에 의해 영향을 받기 위해 주변 환경과 상호작용하게 되는 정확한 방식은 물리적 파라미터의 성질에 따라 좌우될 것이다. 공기압의 경우, 측정 패브리-페롯 에탈론(7)은 구멍을 통해 공기에 결합되는 공동을 간단히 구비할 것이다. 이는 이하에서 보다 명확해질 것이다. 측정 패브리-페롯 에탈론(7)으로부터 나온 광이 또한 광 검출기(미도시), 예컨대 PIN 다이오드에 의해 검출된다. 이러한 광 검출기로부터의 출력 신호는 레이저 광원(1)으로부터의 잡음에 따라 그리고 측정될 물리적 파라미터의 변동에 따라 좌우될 것이다.Light from the
이러한 광 검출기로부터의 출력 신호 및 광 검출기(6)로부터의 출력 신호간의 차 신호(difference signal)가 차 증폭기(8)에 의해 발생된다. 이러한 수단에 의해, 레이저 광원(1)으로부터의 공통 모드 레이저 잡음이 상쇄된다. 기준 경로(즉, 기준 패브리-페롯 에탈론(3)과 광 검출기(6)를 통과함) 및 측정 경로(즉, 측정 패브리-페롯 에탈론(7)과 그 광 검출기를 통과함) 모두로부터의 DC 레벨을 동적으로 조절하기 위해, 차 증폭기(8)는 양 출력 신호를 긴 시간 상수로 동적 조절하는 선행 이득단(gain stage)을 가진다.A difference signal between the output signal from this photo detector and the output signal from
레이저 광원(1)으로부터의 광은 빔 분할기를 통해 양 에탈론(3, 7)에 영향을 미치게 될 수 있다. 대안적으로, 양면 방출 레이저 광원이 사용될 수 있다.Light from the
대안적인 스위칭 모드에서, 튜닝 전극들(4)과 액정(5)이 생략된다. 레이저 광원(1)은 측정 경로와 기준 경로 사이에서 교번하는 펄스들로 작동되고, 그에 따라 연속적인 펄스들이 기준 패브리-페롯 에탈론(3)과 측정 패브리-페롯 에탈론(7) 중 하나 또는 다른 하나(양자는 아님)에 입사된다. 이러한 스위칭 모드에서, 작동점은 레이저 광원(1) 전원의 전류를 조절함으로써 설정될 수 있다. 측정 패브리-페롯 에탈론(7)의 투과 피크들이 기준 패브리-페롯 에탈론(3)의 투과 피크들에 대응하지 않을지라도, 순차적인 작동 모드로 인해 양 에탈론(3, 7)을 위한 이상적인 작동점이 획득될 수 있다. 한 사이클 동안, 레이저 광원(1) 전류는 하나의 에탈론(3, 7)을 위해 조절되고, 연이은 사이클 동안, 레이저 광원(1) 전류는 다른 하나의 에탈론(3, 7)을 위해 조절된다.In an alternative switching mode, the
잡음 상쇄는 광 검출기들에 의한 검출 후에 차 증폭기(8)에 의해 여전히 수행된다. 스위칭 모드는 튜닝 전극들(4) 또는 액정(5)을 이용한 연속 모드보다 레이저 잡음 상쇄에 덜 효과적이다. 그러나, 컴퓨터 시뮬레이션에 의하면, 그럼에도 1/f 잡음이 성공적으로 상쇄될 수 있다. 이는 (튜닝 전극들(4)과 액정(5)의 생략으로 인해) 더 컴팩트한 장치의 제조가 가능하며 전체 전력 소비가 더 감소한다는 이점을 가진다.Noise cancellation is still performed by the
이에 알 수 있는 바와 같이, 이러한 실시예는 기준 패브리-페롯 에탈론(3)을 사용하여 (레이저 광원(1)으로부터의 잡음을 나타내는) 잡음 신호를 발생하고 측정 패브리-페롯 에탈론(7)을 사용하여 발생된 신호로부터 이 잡음 신호를 감산하여 측정 패브리-페롯 에탈론(7)의 SNR을 개선함으로써 작용한다. 양 에탈론(3, 7)은 바람직하게는 그 각각의 투과 함수들의 변곡점들에서 작동되어야 한다. 이 시점에서, 측정되는 물리적 파라미터와 광 출력의 선형 관계 및 주파수 잡음과 광 출력의 선형 관계가 달성된다. 에탈론들(3, 7)의 경사도(slope steepness)는, 측정되는 물리적 파라미터 및 주파수 잡음이 이상적인 작동점(즉, 주기적 투과 함수들의 변곡점들)으로부터 너무 멀리 이동할 수 있는 진폭들을 생성하지 않는 방식으로 미러 반사율 및 미러 간격을 선택함으로써, 조절될 수 있다. 이러한 실시예를 이용하면, 레이저 광원(1) 내의 주파수 및 위상 변동이 장치의 성능을 손상시키는 것이 방지되고, 레이저 광원(1)이 불안정한 레이저 다이오드인 경우에도, 양자 또는 샷 잡음 한계에 도달하는 것이 가능하다.As can be seen, this embodiment generates a noise signal (indicative of noise from the laser light source 1) using the reference Fabry-
도 2는 도 1의 실시예와 동일한 원리에 기반한 광 마이크로폰을 도시한다. 도 2의 광 마이크로폰은 종래의 소형 마이크로폰에서 통상적으로 요구되는 박막과 같은 이동부 없이 제조될 수 있다는 상당한 이점을 가진다. 그러므로, 이는 컴팩트한 크기를 가지며 매우 견고하다.FIG. 2 shows an optical microphone based on the same principle as the embodiment of FIG. 1. The optical microphone of FIG. 2 has the significant advantage that it can be manufactured without moving parts such as thin films typically required in conventional small microphones. Therefore, it has a compact size and is very robust.
게다가, 튜닝 소자들(8)의 영향이 이들 사이의 작은 간격으로 인해 증대된다. 예컨대, 튜닝 메커니즘은 이후 전극들(8) 사이의 간격에 비례하는 전기장에 비례할 수 있다.In addition, the influence of the
레이저 광원(10)(예컨대, PIN 다이오드)으로부터 방출된 레이저 광은 선형 편광 필터(11)와 1/4 파장판(12)으로 구성된 광 격리기에 입사된다. 이후, 광은 도파관 구조(13) 내부로 결합되고, 이 도파관 구조(13)는 주요 소자가 측정 패브리-페롯 에탈론(14)인 측정 경로, 및 주요 소자가 2개의 미러(15a, 15b)에 의해 형성된 기준 패브리-페롯 에탈론인 기준 경로를 따라 광이 투과되도록 광을 분할한다.The laser light emitted from the laser light source 10 (e.g., PIN diode) is incident on an optical isolator consisting of a linear
테이퍼진 도파관 구조들(16a, 16b)이 도파관 구조(13)를 측정 패브리-페롯 에탈론(14) 내로 결합시키기 위해 구비된다. 이들은 측정 패브리-페롯 에탈론(14) 내로의 효율적인 결합을 보장한다. 테이퍼링은 도파관 구조(13)로부터 나타난 광의 분기를 감소시킨다. 분기의 감소는 광 마이크로폰이 형성되는 기판(23), 통상적으로 니오브산 리튬의 평면에 평행한 치수에서 일어난다.
기준 공동은 도 1의 실시예로 설명된 것과 동일한 방식으로 튜닝 전극들(17) 또는 박막 저항들을 튜닝함으로써 튜닝될 수 있다.The reference cavity can be tuned by tuning the
기준 패브리-페롯 에탈론과 측정 패브리-페롯 에탈론(14)으로부터 방출된 광은 각각의 광 검출기들(18, 19)에 입사되며, 차 신호가 차 증폭기(20)에 의해 획득된다.Light emitted from the reference Fabry-Perot etalons and measurement Fabry-Perot etalons 14 is incident on the
측정 패브리-페롯 에탈론(14)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 두 가지 상이한 방식으로 실현될 수 있다. 도 3a에서는, 동심 미러 구조(21)(예컨대, 관 또는 중공 코어 섬유)가 사용된다. 도 3b에서는, 평면 평행 에탈론이 대향하는 평행 평면 미러들(22)에 의해 형성된다.Measurement Fabry-
레이저 광원(10)은 도 1의 실시예와 같이 펄스형 스위칭 모드로 작동될 수 있다. 높은 SNR 및 낮은 SNR 작동을 허용하는, 상이한 길이의 두 듀티 사이클에 기반하는 두 상이한 스위칭 모드가 구상된다. 낮은 SNR 작동 모드에서는, 듀티 사이클이 더 낮기 때문에, 전류 소비가 현저히 감소한다.The
실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기법을 이용하여 도 2의 광 마이크로폰을 제조하는 것이 가능하다. 도파관 구조(13)의 주요 이점은 작은 물리적 치수를 갖도록 기준 경로를 집적할 가능성이다; 기준 패브리-페롯 에탈론은 통상 1㎛ 내지 1㎜(길이)와 1㎛(폭)의 치수를 가질 수 있다.It is possible to manufacture the optical microphone of FIG. 2 using a silicon on insulator (SOI) technique. The main advantage of the
마이크로폰으로 작동하기 위해, 측정 패브리-페롯 에탈론(14)은 주변 환경(예컨대, 공기)에 음향적으로 결합된다. 이는 측정 패브리-페롯 에탈론(14) 내에 홀을 형성함으로써 이행되고, 이 홀은 주변 공기와 측정 패브리-페롯 에탈론(14) 내의 공기-충진 공동 사이의 유체소통을 제공한다. 따라서, (예컨대, 음파에 의해 야기된) 공기압의 변화가 공기-충진 공동에 결합되며, 공동 내의 굴절율에 영향을 미치고, 이 굴절율은 광 검출기(19)에서 광 강도의 변화로 검출된다.To operate as a microphone, the measurement Fabry-
(도파관 구조가 없긴 하지만) 도 2의 광 마이크로폰과 유사한 광 마이크로폰을 제조하는 하나의 가능한 방법이 도 4에 도시되어 있다. 이는 여러 박막 광학층들과 소자들이 서로 접촉하며 적층되는 적층형 또는 층상 구조 설계이다. 그 결과로, 컴팩트하며 견고한 센서가 수득된다. 도 2에서 사용된 도파관 빔 분할기를 생략하기 위해, 기판(31)에 내장되는 양면 방출 레이저 다이오드(30)를 채용한다. 이러한 레이저 다이오드(30)는 수직 공동 표면-방출 레이저(vertical cavity surface-emitting laser, VCSEL)일 수 있다. VCSEL은 광이 전방측과 후방측 모두로부터 방출될 수 있게 하기 위해 기판을 부분 제거함으로써 수정될 수 있거나, 또는 기판의 일부를 생략함으로써 양면 방출을 특별히 제조할 수 있다. (다시, 수정 또는 특별 제조에 의해) 양면 방출을 위해 사용될 수 있는 다른 장치로, 분포 궤환(distributed feedback, DFB) 레이저 다이오드가 있다.One possible method of making an optical microphone similar to that of FIG. 2 (although there is no waveguide structure) is shown in FIG. 4. This is a stacked or layered design in which several thin film optical layers and devices are stacked in contact with one another. As a result, a compact and robust sensor is obtained. In order to omit the waveguide beam splitter used in FIG. 2, a double-sided
적층체의 층들은 바람직한 기계적 처리 특성 및 레이저 다이오드(30)에 의해 방출된 광의 파장에 따라 유리, 폴리머, 실리콘, 또는 다른 유전층들로 이루어질 수 있다. 또한, 적층체 내의 재료들의 조합이 가능하다. 층들은 접합, 접착, 또는 기타 기술을 이용하여 조합될 수 있다.The layers of the laminate may be made of glass, polymer, silicon, or other dielectric layers, depending on the desired mechanical processing properties and the wavelength of light emitted by the
새로운 레이저 빔들 중 하나가 기준 경로에 입사된다; 대향측으로부터 방출된 다른 레이저 빔이 측정 경로에 입사된다. 기준 경로는 (지나는 순서에 따라) 광 격리층(32), 반사방지 코팅(53)을 구비한 시준 렌즈(33), 기준 패브리-페롯 에탈론의 제1 미러(34), 스페이서 소자(35), 기준 패브리-페롯 에탈론의 제2 미러(36), 및 기판(38)에 내장된 광 검출기(37)와 같은 소자들로 이루어진다. 따라서, 기준 패브리-페롯 에탈론은 제1 및 제2 미러(34, 36), 및 2개의 미러(34, 36)를 이격시키는 스페이서 소자(35)로 제조된다. 각각의 미러(34, 36)는 반사방지 코팅(39a, 39b, 40a, 40b)을 구비한다.One of the new laser beams is incident on the reference path; Another laser beam emitted from the opposite side is incident on the measurement path. The reference path is (in order of passing) the
측정 경로는 구성에 있어 유사하다. 이는 (지나는 순서에 따라) 광 격리층(41), 반사방지 코팅(43)을 구비한 시준 렌즈(42), 측정 패브리-페롯 에탈론의 제1 미러(44), 스페이서 소자(45), 측정 패브리-페롯 에탈론의 제2 미러(46), 및 기판(48)에 내장된 광 검출기(47)와 같은 소자들로 이루어진다. 따라서, 측정 패브리-페롯 에탈론은 제1 및 제2 미러(44, 46), 및 2개의 미러(44, 46)를 이격시키는 스페이서 소자(45)로 제조된다. 각각의 미러(44, 46)는 반사방지 코팅(49a, 49b, 50a, 50b)을 구비한다.The measurement path is similar in configuration. This is in accordance with the
스페이서 소자(45)는 개구 또는 구멍(51)을 가지며, 이를 통해 공동(52)의 공기가 주변 환경에 결합된다. 그러므로, 공동(52) 내의 공기압은 주변 환경 내의 압력 변화에 의해 영향을 받는다. 이는 이후 측정 패브리-페롯 에탈론의 광 투과 특성에 영향을 미치며, 공기압의 변화는 광 검출기(47)로부터의 출력 신호의 변화로 검출될 것이다. 따라서, 장치는 음파에 반응하며 마이크로폰으로 작동한다.
기준 공동의 투과 특성에 영향을 미치기 위해, 튜닝 전극들(53a, 53b)을 사용한다. 이들의 작동 방식은 도 1의 실시예를 참조하여 설명된 튜닝 전극들(4)과 같다.To influence the transmission characteristics of the reference cavity,
최종 층상 구조는 매우 컴팩트한 광 마이크로폰을 가져오며, 두 광빔은 동일한 공간축 상에 놓여 있다. 두 가지 양상들 모두 비용효율적이며 대량생산 가능한 소형 장치에 바람직하다. 그러므로, 이는 이동 통신 응용들에 매우 적합하다.The final layered structure results in a very compact optical microphone, with the two light beams lying on the same spatial axis. Both aspects are desirable for cost-effective, mass-produced compact devices. Therefore, it is very suitable for mobile communication applications.
당업자들은 도면, 명세서, 및 첨부된 청구항들을 검토함으로써, 청구된 발명의 실행 시에, 개시된 실시예들에 대한 다른 변경들을 이해 및 실시할 것이다. 청구항들에서, “포함하는(comprising)”이라는 단어는 다른 소자들 또는 단계들을 배제하지 않으며, “부정 관사(a 또는 an)”는 복수를 배제하지 않는다. 단일 처리기 또는 다른 유닛이 청구항들에 인용된 여러 항목들의 기능을 수행할 수도 있다. 소정의 측정값들이 서로 상이한 종속항들에 인용된다는 단순한 사실은 이러한 측정값들의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내진 않는다. 청구항들의 참조 부호(reference sign)는 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.Those skilled in the art will understand and implement other modifications to the disclosed embodiments when practicing the claimed invention by reviewing the drawings, specification, and appended claims. In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or steps, and “negative article (a or an)” does not exclude a plurality. A single processor or other unit may perform the functions of several items recited in the claims. The simple fact that certain measurements are quoted in different dependent claims does not indicate that a combination of these measurements cannot be used advantageously. The reference sign in the claims should not be construed as limiting the scope.
Claims (14)
상기 측정 간섭계(7)는 방출되는 광의 강도를 변화시킴으로써 물리적 파라미터의 변화에 반응하도록 구성되는 반면, 상기 기준 간섭계(3)는 물리적 파라미터의 변화에 반응하지 않도록 구성되고,
상기 장치는 상기 검출기들(6)에 의해 발생된 각각의 출력 신호들에 따라 차동 출력 신호를 발생시키기 위한 신호 처리기를 더 포함하는 장치.
In an apparatus each comprising a measurement interferometer 7 and a reference interferometer 3, which are configured to receive light from the same light source 1 and emit light to the respective detectors 6, each having a working point. ,
The measuring interferometer 7 is configured to respond to changes in physical parameters by changing the intensity of light emitted, while the reference interferometer 3 is configured not to respond to changes in physical parameters,
The apparatus further comprises a signal processor for generating a differential output signal in accordance with the respective output signals generated by the detectors (6).
The device according to claim 1, wherein the measurement interferometer (7) and / or the reference interferometer (3) is a Fabry-Perot interferometer.
The device according to claim 2, wherein the measuring interferometer (7) and / or the reference interferometer (3) comprise a pair of spaced mirrors.
Apparatus according to any one of the preceding claims, further comprising a thermal tuning element for tuning the operating point of the measuring interferometer (7) or of the reference interferometer (3).
5. The device according to claim 1, further comprising a tuning electrode (4) for tuning the operating point of the measuring interferometer (7) or the reference interferometer (3). 6.
The device according to claim 1, further comprising a liquid crystal tuning element (5) disposed between said measuring interferometer (7) or said reference interferometer (3) and each detector (6).
상기 측정 간섭계(7)와 상기 기준 간섭계(3)의 작동점들은 상기 제1 및 제2 파장에서 각각 달성되는 장치.
7. A light source controller as claimed in any preceding claim, further comprising a light source controller configured to cause the light source 1 to alternately emit light at the first and second wavelengths,
The operating points of the measuring interferometer (7) and the reference interferometer (3) are achieved at the first and second wavelengths respectively.
8. An optical isolator (2) according to any one of the preceding claims, further disposed between the light source (1) and the reference interferometer (3) and having a linear polarizer and a quarter wave plate. Containing device.
The device according to claim 1, wherein the light source is a laser.
10. The device according to claim 9, wherein the laser is a double-emitting laser, and the first and second emission beams are respectively coupled to the measurement interferometer (7) and the reference interferometer (3).
The laser beam of claim 10 wherein the double-emitting laser is a double-sided emission laser diode disposed on a substrate between the first and second layered structures, each of the first and second layered structures being the measurement interferometer 7 and the reference. An apparatus comprising one of the interferometers and two respective mirror layers spaced by respective spacer layers, and detector layers remote from the substrate with respect to the mirror layers.
12. The apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the signal processor further comprises an adaptive equalizer for equalizing the average amplitude of each output generated by the detectors (6) over an equalization period.
상기 측정 간섭계(7)는 주변 환경과 음향적으로 결합되고, 상기 기준 간섭계(3)는 주변 환경으로부터 음향적으로 격리되며, 상기 물리적 파라미터는 공기압인 광 마이크로폰.
13. An optical microphone comprising the device according to any one of the preceding claims,
The measuring interferometer (7) is acoustically coupled to the surrounding environment, the reference interferometer (3) is acoustically isolated from the surrounding environment, and the physical parameter is air pressure.
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